BT Ð B8 MC1 B15 MC2 B20 MC3 R S T Aptomat MC4 2.9: Ra1 Ra2 Ra3 Ra4 Ra5 Ra6 Ra7 start stop
I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6
Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6
PLC-S7200
0V
24V I0.7 I1.0 I1.1
40 0V 24V Van 14 Ra1 Ra3 Ra2 Ra4 Ra5 Ra6 Ra7 Ð MC2 MC1 MC4 MC3 Van 16 Van 10 Van 7 Van 19 b) 2.10: Các kí hiệu trong sơ đồ:
B15, B8, B20 MC1, MC2, MC3, MC4 1, B2, B3 và động cơ khuấy trộn Đ ; Ra1÷ Ra7 ; s 2.3.3. Sơ đồ bố trí thiết bị Hình 2.12: Sơ đồ tủ 2
41
Hình 2.11: Sơ đồ tủ 1
2.3.4. Bảng tín hiệu vào, ra
Bảng 2.1: Tín hiệu đầu vào
Tên Chức năng
I0.1 Start: bắt đầu hoạt động hệ thống I0.2 Stop: dừng hệ thống để kiểm tra I0.3 Mức nƣớc E3 I0.4 Mức nƣớc E4 I0.5 Mức nƣớc E5 I0.6 Mức nƣớc E1 I0.7 Mức nƣớc E2 I1.0 Mức nƣớc E6 I1.1 Mức nƣớc E7
42
Bảng 2.2: Tín hiệu đầu ra
Tên Chức năng
Q0.0 Cấp điện cho van 14, van 16 Q0.1 Cấp điện cho bơm 15
Q0.2 Cấp điện cho van 10, van 7 Q0.3 Cấp điện cho bơm 8
Q0.4 Cấp điện cho động cơ khuấy Đ Q0.5 Cấp điện cho van 19
43
CHƢƠNG 3.
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
3.1. TỔNG QUAN VỀ PLC-S7200
3.1.1. Giới thiệu về PLC (Bộ điều khiển logic khả trình)
Hình thành từ nhóm các kỹ sƣ hãng General Motors năm 1968 với ý tƣởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thoả mãn các yêu cầu sau:
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. - Dễ dàng sửa chữa thay thế.
- Ổn định trong môi trƣờng công nghiệp. - Giá cả cạnh tranh.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) (hình 3.1) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số.
Tƣơng đƣơng một mạch số. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhƣ vậy, với chƣơng trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trƣờng xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chƣơng trình
44
điều khiển đƣợc lƣu nhớ trong bộ nhớ PLC dƣới dạng các khối chƣơng trình (khối OB, FC hoặc FB) và thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét.
Hình 3.1: Thiết bị điều khiển logic khả trình.
Để có thể thực hiện đƣợc một chƣơng trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng nhƣ một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lƣu chƣơng trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tƣợng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trƣờng xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số PLC còn cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác nhƣ bộ đếm (Counter), bộ định thì (Timer)... và những khối hàm chuyên dụng.
45
Hình 3.2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC.
Hình 3.3: Hệ thống điều khiển dùng PLC
3.1.2. Phân loại
PLC đƣợc phân loại theo 2 cách:
- Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu nhƣ Siemen, Omron, Misubishi, Alenbrratly...
46
- Version:
Ví dụ: PLC Siemen có các họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo. PLC Misubishi có các họ: Fx, Fxo, Fxon
3.1.3. Các bộ điều khiển và phạm vi ứng dụng 3.1.3.1. Các bộ điều khiển 3.1.3.1. Các bộ điều khiển
Ta có các bộ điều khiển: Vi xử lý, PLC và máy tính.
3.1.3.2. Phạm vi ứng dụng
a. Máy tính.
- Dùng trong những chƣơng trình phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao. - Có giao diện thân thiện.
- Tốc độ xử lý cao.
- Có thể lƣu trữ với dung lƣợng lớn. b. Vi xử lý.
- Dùng trong những chƣơng trình có độ phức tạp không cao (vì chỉ xử lý 8 bit).
- Giao diện không thân thiện với ngƣời sử dụng. - Tốc độ tính toán không cao.
- Không lƣu trữ hoặc lƣu trữ với dung lƣợng rất ít. c. PLC.
- Độ phức tạp và tốc độ xử lý không cao.
- Giao diện không thân thiện với ngƣời sử dụng. - Không lƣu trữ hoặc lƣu trữ với dung lƣợng rất ít. - Môi trƣờng làm việc khắc nghiệt.
3.1.4. Các lĩnh vực ứng dụng PLC
PLC đƣợc sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nghiệp, máy công nghiệp, thiết bị y tế, ôtô (xe hơi, cần cẩu).
3.1.5. Các ƣu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC
47 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chƣơng trình (phần mềm) điều khiển.
- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống. - Nhiều chức năng điều khiển.
- Tốc độ cao.
- Công suất tiêu thụ nhỏ.
- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt.
- Có khả năng mở rộng số lƣợng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng.
- Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới. - Giá thành không cao.
Chính nhờ những ƣu thế đó, PLC hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lƣợng và sự đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lƣợng tiêu tốn, tăng mức an toàn, tiện nghi và thoải mái trong lao động. Đồng thời cho phép nâng cao tính thị trƣờng của sản phẩm.
3.1.6. Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình
Các loại PLC nói chung thƣờng có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đối tƣợng sử dụng khác nhau. PLC S7-300 có 5 ngôn ngữ lập trình cơ bản. Đó là:
- Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder logic).
Đây là ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những ngƣời quen thiết kế mạch logic.
48
- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement list).
Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thƣờng của máy tính. Một chƣơng trình đƣợc ghép gởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung là “tên lệnh” + “toán hạng”.
- Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram).
Đây cũng là ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những ngƣời quen thiết kế mạch điều khiển số.
- Ngôn ngữ GRAPH.
Đây là ngôn ngữ lập trình cấp cao dạng đồ họa. Cấu trúc chƣơng trình rõ ràng, chƣơng trình ngắn gọn. Thích hợp cho ngƣời trong ngành cơ khí vốn quen với giản đồ Grafcet của khí nén.
49
- Ngôn ngữ High GRAPH.
Hình 3.5: Ngôn ngữ lập trình High GRAPH
3.1.7. Cấu trúc phần cứng họ PLC S7-200 3.1.7.1. Các tính năng của PLC S7-200 3.1.7.1. Các tính năng của PLC S7-200
- Hệ thống điều khiển kiểu Module nhỏ gọn cho các ứng dụng trong phạm vi hẹp.
- Có nhiều loại CPU.
- Có nhiều Module mở rộng. - Có thể mở rộng đến 7 Module.
- Bus nối tích hợp trong Module ở mặt sau.
- Có thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profibus. - Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Module. - Không quy định rãnh cắm.
- Phần mềm điều khiển riêng.
- Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module. - Micro PLC với nhiều chức năng tích hợp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
50
3.1.7.2. Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật họ S7-200
PLC Simentic S7-200 có các thông số kỹ thuật sau:
Đặc trƣng cơ bản của các khối vi xử lý CPU212 và CPU214 đƣợc giới thiệu trong bảng:
3.1: Đặc trƣng cơ bản của các khối vi xử lý CPU212 và CPU214
51
Hình 3.6: CPU 214
Hình 3.7: Cấu trúc các đầu đấu nối của CPU 214
* Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module, có nhiều loại CPU: CPU212, CPU 214, CPU 215, CPU 216... Hình dáng CPU 214 thông dụng nhất đƣợc mô tả trên (hình 3.6)
* Các Module mở rộng (EM) (Etrnal Modules) - Module ngõ vào Digital: 24V DC, 120/230V AC - Module ngõ ra Digital: 24V DC, ngắt điện từ
- Module ngõ vào Analog: áp dòng, điện trở, cấp nhiệt - Module ngõ ra Analog: áp, dòng
Hình 3.8: Các module đƣợc tích hợp trong CPU 214 * Module liên lạc xử lý (CP) (Communiation Processor)
52
AS. Kết quả là, có đến 248 phần tử nhị phân đƣợc điều khiển bằng 31 Module giao tiếp AS. Gia tăng đáng kể số ngõ vào và ngõ ra của S7-200.
* Phụ kiện
Bus nối dữ liệu (Bus connector) * Các đèn báo trên CPU.
Các đèn báo trên mặt PLC cho phép xác định trạng thái làm việc hiện hành của PLC:
SF (đèn đỏ): Khi sáng sẽ thông báo hệ thống PLC bị hỏng.
RUN (đèn xanh): Khi sáng sẽ thông báo PLC đang làm việc và thực hiện chƣơng trình đƣợc nạp vào máy.
STOP (đèn vàng): Khi sáng thông báo PLC đang ở chế độ dừng. Dừng chƣơng trình đang thực hiện lại.
Ix.x (đèn xanh): Thông báo trạng thái tức thời của cộng PLC: Ix.x (x.x = 0.0 - 1.5). đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
Qy.y (đèn xanh): Thông báo trạng thái tức thời của cổng ra PLC: Qy.y(y.y=0.0 - 1.1) đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
* Công tắc chọn chế độ làm việc của CPU:
Công tắc này có 3 vị trí: RUN - TERM - STOP, cho phép xác lập chế độ làm việc của PLC.
- RUN: Cho phép LPC vận hành theo chƣơng trình trong bộ nhớ. Khi trong PLC đang ở RUN, nếu có sự cố hoặc gặp lệnh STOP, PLC sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP.
- STOP: Cƣỡng bức CPU dừng chƣơng trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP. Ở chế độ STOP, PLC cho phép hiệu chỉnh lại chƣơng trình hoặc nạp chƣơng trình mới.
53
- TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ làm việc của CPU hoặc ở chế độ RUN hoặc STOP.
3.1.7.4. Giới thiệu cấu tạo phần cứng các KIT thí nghiệm S7-200
- Hệ thống bao gồm các thiết bị: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Bộ điều khiển PLC- Station 1200 chứa:
- CPu-214: AC Power Supply, 24VDC Input, 24VDC Output. - Digital Input / Output EM 223: 4x DC24V Input, 4x Relay Output - Analog Input/ Output EM 235: 3 Analog Input, 1 Analog Output 12 bit 2. Khối Contact LSW-16
3. Khối Relay RL-16 4. Khối đèn LL-16 5. Khối AM-1 Simulator 6. Khối DCV-804 Meter 7. Khối nguồn 24V PS-800 8. Máy tính
9. Các dây nối với chốt cắm 2 đầu - Mô tả hoạt động của hệ thống:
1. Các lối vào và lối ra CPU cũng nhƣ của các khối Analog và Digital đƣợc nối ra các chốt cắm.
2. Các khối PLC STATION - 1200, ĐV - 804 và PS - 800 sử dụng nguồn 220VAC
3. Khối RELAY - 16 dùng các RELAY 24VDC 4. Khối đèn LL - 16 dùng các đèn 24V
5. Khối AM - 1 dùng các biển trở 10 kilô ôm
Dùng các dây nối có chốt cắm 2 đầu và tuỳ từng bài toán cụ thể để đấu nối các lối vào/ra của CPU 214, khối Analog Em235, khối Digital Em222 cùng với các đèn, contact, Relay, biến trở, và khối chỉ thị DCV ta có thể bố trí
54
rất nhiều bài thực tập để làm quen với cách hoạt động của một hệ thống PLC, cũng nhƣ các lập trình cho một hệ PLC.
Hình 3.9: Cấu hình vào ra của S7-200 CPU224 AC/DC/Relay
3.1.8. Ngôn ngữ lập trình STEP7 3.1.8.1. Cài đặt STEP7 3.1.8.1. Cài đặt STEP7
Cấu hình phần cứng
Để cài đặt STEP7 yêu cầu tối thiểu cấu hình nhƣ sau: - 80486 hay cao hơn, đề nghị Pentium
- Đĩa cứng trống: Tối thiểu 300MB
- Ram: > 32MB, đề nghị 64MB
- Giao tiếp: CP5611, MPI card hay tiếp hợp PC để lập trình với mạch nhớ
- Mouse: Có
- Hệ điều hành: Windows 95/98/NT
Có nhiều phiên bản của bộ phần mềm gốc của STEP7 hiện có tại Việt Nam. Đang đƣợc sử dụng nhiều nhất là phiên bản 4.2 và 5.0. Trong khi phiên bản 4.2 khá phù hợp với những PC có cấu hình trung bình nhƣng lại đòi hỏi phải tuyệt đối có bản quyền thì phiên bản 5.0, đòi hỏi cấu hình PC phải mạnh tốc độ cao, có thể chạy ở chế độ không cài bản quyền (ở mức hạn chế).
Phần lớn các đĩa gốc của STEP7 đều có khả năng tự thực hiện chƣơng trình cài đặt (autorun). Bởi vậy ta chỉ cần bỏ đĩa vào và thực hiện theo những
55
chỉ dẫn. Ta cũng có thể chủ động thực hiện cài đặt bằng cách gọi chƣơng trình setup.exe có trên đĩa. Công việc cài đặt STEP7 nói chung không khác gì nhiều so với việc cài đặt các phần mềm ứng dụng khác nhƣ Windows, Office...
Tuy nhiên, so với các phần mềm khác thì việc cài đặt STEP7 sẽ có vài điểm khác biệt cần đƣợc giải thích rõ thêm.
- Khai báo mã hiệu sản phẩm: Mã hiệu sản phẩm luôn đi kèm theo phần mềm STEP7 và in ngay trên đĩa chứa bộ cài STEP7. Khi trên màn hình hiện ra cửa sổ yêu cầu cho biết mã hiệu sản phẩm, ta điền đầy đủ vào tất cả các mục trong ô cửa sổ đó thì mới có thể tiếp tục cài đặt phần mềm.
- Đăng ký bản quyền: Bản quyền của STEP7 nằm trên một đĩa mềm riêng (thƣờng có màu vàng hoặc đỏ). Ta có thể cài đặt bản quyền trong quá trình cài đặt hay sau khi cài đặt phần mềm xong thì chạy chƣơng trình đăng ký AuthorsW.exe có trên đĩa CD cài đặt.
- Khai báo thiết bị đốt EPROM: Chƣơng trình STEP7 có khả năng đốt chƣơng trình ứng dụng lên thẻ EPROM cho PLC. Nếu máy tính của ta có thiết bị đốt EPROM thì cần thông báo cho STEP7 biết khi trên màn hình xuất hiện cửa sổ (hình dƣới):
Chọn giao diện PC/PLC: Chƣơng trình đƣợc cài đặt trên PG/PC để hỗ trợ việc soạn thảo cấu hình phần cứng cũng nhƣ chƣơng trình cho PLC. Ngoài ra,
56 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
STEP7 còn có khả năng quan sát việc thực hiện chƣơng trình của PLC. Muốn nhƣ vậy ta cần tạo bộ giao diện ghép nối giữa PC và PLC để truyền thông tin, dữ liệu. STEP7 có thể đƣợc ghép nối giữa PC và PLC qua nhiều bộ giao diện
khác nhau và ta có thể chọn giao diện sẽ đƣợc sử dụng trong cửa sổ sau:
Sau khi chọn bộ giao diện ta phải cài đặt tham số làm việc cho nó thông qua cửa sổ màn hình dƣới đây khi chọn mục “Set PG/PC Interface...”.
57
Sau khi cài đặt xong STEP7, trên màn hình desktop sẽ xuất hiện biểu tƣợng của phần mềm STEP7.
Đồng thời trong menu Start của Windows cũng có thƣ mục Simatic với tất cả các tên của những thành phần liên quan, từ các phần mềm trợ giúp đến các phần mềm cài đặt cấu hình, chế độ làm việc của STEP7...
3.1.8.2. Trình tự các bƣớc thiết kế chƣơng trình điều khiển
Hình 3.10: Trình tự các bƣớc thiết kế chƣơng trình
58
Khai báo phần cứng
Ta phải xây dựng cấu hình phần cứng khi tạo một project. Dữ liệu về cấu hình sẽ đƣợc truyền đến PLC sau đó.
Cấu trúc cửa sổ lập trình
Hình 3.11: Cấu trúc cửa sổ lập trình
- Bảng khai báo phụ thuộc khối. Dùng để khai báo biến và tham số khối. - Phần soạn thảo chứa một chƣơng trình, nó chia thành từng Network. Các thông số nhập đƣợc kiểm tra lỗi cú pháp.
Nội dung cửa sổ “Program Element” tuỳ thuộc ngôn ngữ lập trình đã lựa chọn. Có thể nhấn đúp vào phần tử lập trình cần thiết trong danh sách để chèn chúng vào danh sách. Cũng có thể chèn các phần tử cần thiết bằng cách nhấn và nhả chuột.
Các thanh công cụ thƣờng sử dụng. * Các Menu công cụ thƣờng dùng.
59
- Open (File Menu) Mở file
- Cut (Edit menu) Cắt
- Paste (Edit Mennu) Dán